(57)【要約】      （修正有）【課題】火花点火式の直噴式内燃機関において、燃焼安定度および排気エミッション性能を損なうことなく、リタード燃焼による暖機の促進を図る。【解決手段】第１のキャビティ３１に向けて噴射供給した第１噴射の燃料に点火して主燃焼を行わせ、その後に第２のキャビティ３２に向けて噴射供給した第２噴射の燃料を着火燃焼させる。第２のキャビティ領域には主燃焼後も燃焼に必要な酸素が十分に残っており、このため第２噴射により追加的に供給した燃料には主燃焼に伴う高温雰囲気中で容易に着火し、十分に燃焼が行われる。これにより暖機または触媒５の活性化が促進される。噴射燃料はキャビティによってその噴霧塊の形状が保持されるのでシリンダ壁面等への燃料の付着に伴う未燃燃料の排出がなく、またサイクル毎の噴霧塊のばらつきが少ないので燃焼安定度が損なわれることもない。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン冠面に形成されたキャビティに向けて燃料を噴射供給する燃料噴射弁と点火栓とを燃焼室に臨むように備え、機関運転状態を検出する運転状態検出装置と、前記検出運転状態に基づいて前記燃料噴射弁による燃料噴射時期、燃料噴射量、および前記点火栓による点火時期を制御する制御装置とを備えた直接噴射式内燃機関において、
前記キャビティを複数のキャビティ領域から形成するとともに、
前記制御装置を、冷機状態下では、前記燃料噴射弁により点火前の第１噴射と点火後の第２噴射とを行わせるように構成するとともに、
前記燃料噴射弁を、第１噴射と第２噴射の燃料噴霧が異なるキャビティ領域を指向するように構成したことを特徴とする直接噴射式内燃機関。
【請求項２】
前記キャビティを、第１領域を形成する内側の第１キャビティと、該第１キャビティを包囲するように第２領域を形成する環状の第２キャビティとから構成するとともに、
前記燃料噴射弁を、その燃料噴霧がピストン位置に応じて前記各領域間で移行するように、シリンダ軸線に対して傾斜した燃料噴霧を形成するように設定した請求項１に記載の直接噴射式内燃機関。
【請求項３】
前記制御装置を、前記第１噴射は、内側の第１キャビティに向けて行い、前記第２噴射は、外側の第２キャビティに向けて行うように構成した請求項２に記載の直接噴射式内燃機関。
【請求項４】
前記制御装置を、前記第１噴射は、ピストンが圧縮行程中の比較的上死点に近い位置にあるときに内側の第１キャビティに向けて行い、前記第２噴射は、ピストンが膨張行程中の比較的上死点から遠い位置にあるときに外側の第２キャビティに向けて行うように構成した請求項２に記載の直接噴射式内燃機関。
【請求項５】
前記制御装置を、前記第１噴射は、外側の第２キャビティに向けて行い、前記第２噴射は、内側の第１キャビティに向けて行うように構成した請求項２に記載の直接噴射式内燃機関。
【請求項６】
前記制御装置を、前記第１噴射は、ピストンが圧縮行程中の比較的上死点から遠い位置にあるときに外側の第２キャビティに向けて行い、前記第２噴射は、ピストンが膨張行程中の比較的上死点に近い位置にあるときに内側の第１キャビティに向けて行うように構成した請求項２に記載の直接噴射式内燃機関。
【請求項７】
前記制御装置を、暖機完了後は、前記内側の第１キャビティに向けて第１噴射のみを行うように構成した請求項２に記載の直接噴射式内燃機関。
【請求項８】
前記制御装置を、負荷の増大に応じて前記第２噴射の噴射量を減少させるように構成した請求項１に記載の直接噴射式内燃機関。
【請求項９】
前記制御装置を、所定の基準負荷以上の高負荷時には前記第２の噴射を停止するように構成した請求項１に記載の直接噴射式内燃機関。
【請求項１０】
前記制御装置は、前記第１噴射の燃料噴射量と第２噴射の燃料噴射量の合計がシリンダ吸入空気量に対して理論空燃比を構成するように燃料噴射量を設定する請求項１に記載の直接噴射式内燃機関。
【請求項１１】
前記制御装置は、第２噴射の噴射量を第１噴射の噴射量よりも小に設定する請求項１に記載の直接噴射式内燃機関。
【請求項１２】
前記燃料噴射弁は、キャビティの第１領域に向けて燃料を噴射する第１の燃料噴射弁と、第２領域に向けて燃料を噴射する第２の燃料噴射弁とからなる請求項１に記載の直接噴射式内燃機関。
【請求項１３】
前記キャビティを、第１領域を形成する第１キャビティと、第２領域を形成する第２キャビティとをピストン径方向に直列に配置した請求項１に記載の直接噴射式内燃機関。
【請求項１４】
ピストン冠面に形成された複数のキャビティ領域からなるキャビティに向けて燃料を噴射供給する燃料噴射弁と点火栓とを燃焼室に臨むように備えた直接噴射式内燃機関の燃焼方法であって、
冷機状態下にて、
前記燃料噴射弁により点火前に第１のキャビティ領域に向けて第１の噴射を行い、
該第１の噴射による噴射燃料に点火したのち、
第２のキャビティ領域に向けて第２の噴射を行って該第２の噴射による噴射燃料を比較的酸素濃度の高い燃焼室域にて燃焼させるようにしたことを特徴とする直接噴射式内燃機関の燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火花点火方式の直接噴射式内燃機関またはその燃焼方法の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気浄化触媒を備えた内燃機関では、冷機始動後の排気エミッション性能を改善するために、始動後に触媒の温度をいかに速やかに活性温度にまで上昇させるかが課題となっている。この課題に対して、火花点火方式の直接噴射式内燃機関において、筒内への燃料供給を比較的自由に制御できる特徴を利して、二次的な追加燃料の供給により排気を高温化して触媒の活性化を促すようにしたものが提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１のものでは、主燃焼のための噴射燃料に加えて、膨張行程または排気行程中に追加燃料を噴射供給し、この追加燃料に点火して燃焼させ、または排気管に設けた点火栓により、排気中に混入させた追加燃料に着火して燃焼させるようにしている。また、特許文献２のものでは、追加燃料の熱エネルギが膨張仕事として失われないように膨張行程の中期〜後期において燃料の追加供給を行って排気温度を高めるようにしたものが開示されている。
【特許文献１】特開平4-183922号公報
【特許文献２】特開2000-145511号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のものでは、圧縮行程後期以降の短時間内に２度の点火を行う必要があるため、点火制御が複雑になることに加えて、近接した２度の点火機会に対応しうるだけの高エネルギ型の点火コイルが必要となり、コストおよび耐久性上の懸念が生じる。また、主噴射による燃料は膨張行程および排気行程においてはほとんど完全燃焼しているので、追加燃料を含む排気中に火種となる化学活性種が少なく、このため特に排気管内で再点火させようとすると高いエネルギが必要となり、既存の点火装置では着火に必要な十分なエネルギが得られず、燃焼が成立しない可能性がある。また、特許文献２のものでは、膨張行程中期〜後期にかけて噴射した燃料はピストンが下死点付近にまで下降しているためピストンキャビティ外に溢れてしまい、この結果として噴霧が拡散して火炎伝播のサイクルバラツキが多くなり、エンジンの安定度が悪化する。また、既燃焼領域に燃料を噴射した場合は、残存酸素が少ないため噴射された燃料の酸化反応が進まず未燃燃料として排出されてしまうおそれもある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、ピストン冠面に形成されたキャビティに向けて燃料を噴射供給する燃料噴射弁と点火栓とを燃焼室に臨むように備えた直接噴射式内燃機関を前提として、次のような構成ないしはその燃焼方法を要旨とするものである。
・機関運転状態を検出する運転状態検出装置と、前記検出運転状態に基づいて前記燃料噴射弁による燃料噴射時期、燃料噴射量、および前記点火栓による点火時期を制御する制御装置とを備え、前記キャビティを複数のキャビティ領域から形成するとともに、前記制御装置を、冷機状態下では、前記燃料噴射弁により点火前の第１噴射と点火後の第２噴射とを行わせるように構成するとともに、前記燃料噴射弁を、第１噴射と第２噴射の燃料噴霧が異なるキャビティ領域を指向するように構成する。
・冷機状態下にて、前記燃料噴射弁により点火前に複数のキャビティ領域のうちの第１のキャビティ領域に向けて第１の噴射を行い、該第１の噴射による噴射燃料に点火したのち、第２のキャビティ領域に向けて第２の噴射を行って該第２の噴射による噴射燃料を比較的酸素濃度の高い燃焼室域にて燃焼させる。
【発明の効果】
【０００６】
前記本発明による直接噴射式内燃機関または燃焼方法によれば、第１のキャビティ領域に向けて噴射供給した第１噴射の燃料に点火して主燃焼を行わせ、その後に第２のキャビティ領域に向けて噴射供給した第２噴射の燃料を着火燃焼させる。第２のキャビティ領域は主燃焼が行われる第１のキャビティ領域とは異なるため、燃焼に必要な酸素が十分に残っており、このため第２噴射により追加的に供給した燃料には主燃焼に伴う高温雰囲気中で容易に着火し、十分に燃焼が行われる。これにより、高温の排気が排出されるので、機関の暖機ないしは排気通路に設けられる触媒コンバータの昇温を速やかに完了させることができる。
【０００７】
一方、第２噴射の燃料は第２のキャビティ領域によってその噴霧塊の形状がある程度保持され、あるいは噴霧塊の拡散が抑えられるので、シリンダ壁面等への燃料の付着に伴う未燃燃料の排出がない。また、前記同様の理由によりサイクル毎の噴霧塊のばらつきが少なくなるので、第２噴射により燃焼安定度が損なわれることもない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお各図において共通する部分には互いに同一の符号を付して示すこととする。図１は本発明が適用可能な内燃機関の概略構成を示している。図中の１は内燃機関本体、２は吸気通路、３はスロットル弁、４は排気通路、５は触媒コンバータ、６は吸気弁、７は排気弁、８は燃料噴射弁、９は点火栓である。１０はコントロールユニット、１１は吸入空気量センサ、１２はアクセル開度センサ、１３はクランク角センサ、１４は冷却水温センサ、１５は排気酸素センサである。１７はカム駆動により燃料を燃料噴射弁８に圧送する燃料ポンプであり、１６はその燃料圧力を検出する圧力センサである。また、２１は燃焼室、２４はピストンを示している。
【０００９】
コントロールユニット１０は、本発明における制御装置に相当するもので、ＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータにより構成されており、前記運転状態検出装置としての各種センサ１１〜１６からの入力に基づいて内燃機関の運転状態を判断し、燃料の噴射時期、噴射量、点火時期がそれぞれ所定の目標値に一致するように燃料ポンプ１７、燃料噴射ノズル８および点火栓９の作動を制御する。
【００１０】
この内燃機関は吸気弁６と排気弁７をそれぞれ２個ずつ備えた４弁形式であり、燃料噴射弁８と点火栓９はそれぞれ前記４弁に包囲された燃焼室中央付近に配設してある。燃料噴射弁８は、その燃料噴霧の中心がシリンダ軸線対して略平行となるように取り付けてある。
【００１１】
前記燃料噴射弁８と対向するように、図２−１または図２−２に示したように、ピストン２４の冠面には比較的小径の円形凹形状の第１キャビティ３１と、これを包囲するように比較的大径の環状をした第２キャビティ３２とを形成してある。なお、前記第１キャビティ３１、第２キャビティ３２の直上方の燃焼室空間領域をそれぞれ第１のキャビティ領域、第２のキャビティ領域と称する。
【００１２】
前記第１キャビティ３１および第２キャビティ３２の中心と燃料噴射弁８の中心とはそれぞれほぼシリンダ軸線と一致するように位置設定してあり、これにより燃料噴射弁８からの燃料噴霧がほぼキャビティ３１の中心部に衝突するようにしている。一方、点火栓９については、その放電電極部９ａが、燃料噴射弁８からの燃料噴霧に近接して位置するスプレーガイド配置としてある。
【００１３】
前記燃料噴射弁８は、その燃料噴霧をシリンダ軸線に対して傾斜させることで、ピストン２４の位置に応じて燃料噴霧が前記第１キャビティ３１または第２キャビティ３２の領域間で移行するように図る。そのためにこの実施形態では、燃料噴射弁８としてそのノズル部を頂点とする仮想的な円錐面に沿って燃料を噴射するマルチホールノズルまたはアウトワード型ノズルを適用する。これにより燃料噴霧はシリンダ軸線に対して傾斜した態様となるので、図３の(a)に示したようにピストン２４が上死点に付近に位置するときには小径の第１のキャビティ３１にのみ燃料を供給し、ピストン２４が下降するほど相対的に燃料噴霧の径が拡大することから、図３の(b)に示したように噴射燃料の大部分を比較的大径の第２のキャビティ３２にのみ供給することが可能となる。なおホールノズルまたはアウトワード型ノズルによる燃料噴霧は、圧縮行程後半における筒内圧力上昇時においても噴霧塊の窄まりまたは形状変化が小さいという利点もある。
【００１４】
次に、前記構成下での燃焼方式の実施形態につき説明する。一般に直接噴射式内燃機関では、圧縮行程中に燃料を噴射供給して混合気を成層化し、希薄空燃比による運転を行わせる成層燃焼運転のモードと、吸気行程中に燃料を噴射供給して理論空燃比近傍の比較的濃い予混合気による運転を行わせる均質燃焼運転のモードとを運転状態に応じて切り換えるようにしている。本発明による運転モードは、基本的に圧縮行程以降に燃料噴射を行う成層燃焼運転であり、特に排気浄化触媒が活性化する前の冷機状態において、点火時期を挟んで２度の燃料噴射を行うことを特徴としている。なお冷機状態か否かの判定は、前記図１の構成においてはコントロールユニット１０が冷却水温センサ１４からの信号に基づいて判断し、実際の冷却水温が所定の基準温度より低温であるときには冷機状態と判定して本発明に係る燃焼制御を適用する。
【００１５】
図４は前記制御による基本的なタイミングチャートである。図中のＰｆはコントローラ１０から燃料噴射装置に出力される噴射パルス信号、Ｐｉは同じく点火装置に出力される点火パルス信号、Ｄ１またはＤ２はそれぞれ第１キャビティ領域と第２キャビティ領域の残存酸素量を表している。噴射パルス信号Ｐｆは、そのパルスの立ち上りにより燃料噴射弁８のノズルが開いて燃料噴射が開始され、立ち下がりによりノズルが閉じて燃料噴射が終了し、この間のパルス幅に応じた量の燃料が燃焼室内へと噴射される。また、点火パルス信号Ｐｉは、そのパルスの発生に伴い点火栓９に放電電流が供給される。
【００１６】
本発明では、図示したように点火の前に第１噴射Ｆ１を、点火の後に第２噴射Ｆ２をそれぞれ実施する。また、ピストン位置との関係では、この実施形態では図３に示したように、第１噴射はピストン２４が上死点付近に位置する圧縮行程末期として第１キャビティ３１に向けて燃料を噴射し、第２噴射はピストン２４が上死点から離れた膨張行程の中期以降として第２キャビティ３２に燃料を噴射する。こうすることにより、第１噴射の燃料はほぼ第１キャビティ領域でのみ燃焼するので（残存酸素量Ｄ１）、第２噴射までの間に第２キャビティ領域に残存酸素が確保され（残存酸素量Ｄ２）、第２噴射の燃料はこの残存酸素を有する第２キャビティ領域にて着火燃焼する。このようにして、膨張行程中期以降にまで燃焼期間が延長、または遅らされる結果、燃焼エネルギの多くを排気に供給してその温度を上昇させ、触媒の温度を速やかに上昇させることが可能となる。
【００１７】
より詳細には、圧縮上死点付近では筒内のガス流動が少なく背圧が高いことから、この時期に第１噴射を行うことにより、ガス流動による外乱の影響を軽減でき、噴霧のペネトレーションも下がるので、小径の第１キャビティ３１内に確実に燃料を供給して燃焼安定性を向上させることができる。また、第１噴射から点火時期までの間隔が、圧縮行程前半〜中期の比較的早期に噴射する場合に比較して短くなるので、それだけ混合気塊の拡散および混合比の偏りを少なくできることも安定燃焼に貢献する。一方、第２噴射を膨張行程にて比較的大径の第２キャビティ３２に燃料が導入されるように行うことにより、第２噴射の燃料の拡散も抑えて、未燃燃料の排出を防止し、安定燃焼を維持させることができる。そして、この結果として燃焼期間の大幅なリタードが可能となることから、排気温度を効果的に上昇させて触媒の活性化を早期に達成することができるのである。
【００１８】
またこの場合、円形ないし環状のキャビティ３１，３２を同心円状に形成したことから、いずれかのキャビティに噴射供給した燃料は燃焼室内に円筒状ないし環状に等方性をもって拡散する。このため、混合気に過度に濃厚または希薄な領域を生じることがなく、混合気濃度の偏りに原因する燃焼不良またはスモークの発生などがない。
【００１９】
なお、前記効果を得るにあたっては、第１噴射および点火の時期は上死点前に限定されるものではなく、点火時期に先行して比較的早期に第１噴射すなわち主燃焼の噴射燃料を小径の第１のキャビティ３１に向けて行うことにより、コンパクトでキャビティ内およびその上方の燃焼室空間内にて安定して長時間留まる拡散しにくい成層混合気を形成することができ、したがってこの混合気に点火することによって安定した主燃焼が可能である。また、その後の比較的後期に第２噴射を径の大きい第２キャビティ３２に向けて行うことで、大径の環状の混合気塊が形成され、燃焼室中央付近に位置する点火栓の放電電極部９ａが濃混合気に晒されるようなことがないので、リッチ雰囲気下で着火した場合に起こりがちな点火栓のくすぶりを回避できる。また、この噴霧塊は第２のキャビティ３２の内側領域に収まるので、シリンダ壁面への燃料の付着に伴う未燃燃料の排出および燃焼安定度の低下を防止することができる。
【００２０】
前記実施形態では、第１噴射を小径の第１キャビティ３１に、第２噴射を大径の第２キャビティ３２にそれぞれ行うようにしているが、これとは異なり、図５に示したように、第１噴射を大径の第２キャビティ３２に、第２噴射を小径の第１キャビティ３１にそれぞれ行うようにしてもよい。すなわち、第１噴射は、図５の（ａ）に示したようにピストンが圧縮行程中の比較的上死点から遠い位置にあるときに外側の第２キャビティ３２に向けて行い、第２噴射は、図５の（ｂ）に示したようにピストンが膨張行程中の比較的上死点に近い位置にあるときに内側の第１キャビティ３１に向けて行う。
【００２１】
通常、第１噴射をピストンが比較的上死点から遠い位置にある圧縮行程中期にて第２キャビティ３２に向けて行うことにより、安定燃焼が可能である。また、この場合に第２噴射を小径の第１キャビティ３１に確実に燃料が導入される時期、たとえばピストンが比較的上死点に近い膨張行程の初期に行うことにより、混合気塊を拡散させずに未燃燃料の排出を防止し、第２噴射の実施に伴う燃焼安定度の低下を回避することができる。
【００２２】
なお、機関の回転数または負荷がある程度高い状態で小径の第１キャビティ３１に燃料を噴射供給すると、点火栓の放電電極部９ａの付近に濃混合気塊が集中して過剰リッチ燃焼となり、点火栓のくすぶりが生じたり燃焼安定度が損なわれたりする場合がある。このような条件下では、第１噴射を大径の第２キャビティ３２に対して行うことで放電電極部９ａ付近を比較的リーンの雰囲気として前記問題を回避することができる。この場合は、第２噴射を小径の第１キャビティ３１に向けて行うことで、残存酸素を有効利用して排気温度を効果的に高めることができる。
【００２３】
前記実施形態において、第１噴射の燃料噴射量と第２噴射の燃料噴射量の合計がシリンダ吸入空気量に対して理論空燃比（およそ１４．５〜１５）を構成するように燃料噴射量を設定することで、投入熱量を最大として触媒の活性化を最小の時間で達成することができる。
【００２４】
ただし、第２噴射により燃焼期間のリタード化を実施すると、排気温度が過大となって触媒の耐久性を損なうおそれを生じる。これに対しては、第２噴射の噴射量を第１噴射よりも小さくすることで触媒の過熱を防止しつつ活性化までの時間を短縮することが可能となる。また、暖機完了後または暖機途中の過程にあっても、負荷の増大により燃料噴射量が増大した場合にも、第２噴射により燃焼期間をリタードした効果として排気温度が過上昇するおそれを生じる。これに対しては、負荷の増大に応じて第２噴射の噴射量を減少させ、または、所定の基準負荷以上の高負荷時には第２の噴射を停止するように構成することで対処することができる。すなわち、第２噴射の噴射量の低減または噴射の停止により燃焼期間のリタードを抑えて排気温度が過度に上昇する不都合を回避し、触媒の保護を図りつつその活性化を促進することができる。
【００２５】
前記実施形態において、暖機完了後（触媒活性後）は、基本的には小径の第１キャビティ３１への燃料噴射のみを行うことで、点火栓の放電電極部９ａ付近にコンパクトな成層混合気塊を形成してリーン運転を行わせるとよい。これにより均質運転をする場合に比較して大幅に燃費を低減することができる。なお、成層燃焼運転域内でも比較的負荷または回転数が高い領域では第１噴射を大径の第２キャビティ３２に対して行うようにしても前記と同様の効果が期待できる。図６は前記運転領域を示したもので、図中のＡが小径の第１キャビティ３１に燃料噴射を行う運転域、図中のＢが大径の第２キャビティ３２に燃料噴射を行う運転域を示している。Ｂ領域よりも高速または高負荷の領域は前述した均質燃焼運転域である。
【００２６】
前記実施形態においては、燃料噴射弁８をマルチホールノズルまたはアウトワード型ノズルとすることで、気筒あたり単一のノズルにて第１、第２の２つのキャビティ領域間で噴射燃料を移行可能としたが、これに限らず、キャビティ領域毎に燃料噴射弁を設けた構成、すなわちキャビティの第１領域に向けて燃料を噴射する第１の燃料噴射弁と、第２領域に向けて燃料を噴射する第２の燃料噴射弁とを設けるようにしてもよい。
【００２７】
また、キャビティは前記のような同心円状のものに限らず、例えば図７−１または図７−２に示したように、第１領域を形成する第１の円形キャビティ３３と、第２領域を形成する第２の円形キャビティ３４とをピストン径方向に直列に配置した構成としてもよい。この構成においては、前記のように各キャビティ領域に対応した２個の燃料噴射弁を設けるか、もしくは単一の燃料噴射弁を、その燃料噴霧がピストン位置に応じて前記各領域間で移行するように、シリンダ軸線に対して傾斜した燃料噴霧を形成するように設定するものとすることで、前記実施形態と同様の作用効果を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明を適用した直接噴射式内燃機関の実施形態の全体構成図。
【図２−１】本発明のピストンに係る第１の実施形態の平面図。
【図２−２】本発明のピストンに係る第１の実施形態の要部縦断面図。
【図３】本発明の燃焼方法に係る第１の実施形態の説明図。
【図４】前記燃焼方法に係る第１の実施形態のタイミングチャート。
【図５】本発明の燃焼方法に係る第２の実施形態の説明図。
【図６】本発明の実施形態に係る成層燃焼領域の説明図。
【図７−１】本発明のピストンに係る第２の実施形態の平面図。
【図７−２】本発明のピストンに係る第２の実施形態の要部縦断面図。
【符号の説明】
【００２９】
１    直接噴射式内燃機関の本体
２    吸気通路
３    スロットルバルブ
４    排気通路
５    触媒コンバータ
６    吸気弁
７    排気弁
８    燃料噴射弁
９    点火栓
９ａ  点火栓の放電電極部
１０    コントロールユニット
２１    燃焼室
２４    ピストン
３１、３３    第１のキャビティ
３２、３４    第２のキャビティ
【図１】
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【図２−１】
2006283684.tif 000004
【図２−２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006283684.tif 000009
【図７−１】
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【図７−２】
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